納米材料鉆井液在油田中的應(yīng)用范文

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摘要：本文通過(guò)分析設(shè)計(jì)對(duì)納米材料的表面性能進(jìn)行了改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上研制了一種納米封堵降濾失劑，通過(guò)引入強(qiáng)的吸附基團(tuán)和疏水基團(tuán)，聚合物分子的疏水性、氫鍵等協(xié)同作用形成空間的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使合成的納米封堵降濾失劑分散在鉆井液中，不僅具備優(yōu)秀的降濾失性能，同時(shí)還具備良好的柔性可變形性。之后，以此降濾失劑為核心處理劑，對(duì)配套使用的納米潤(rùn)滑劑和抑制劑進(jìn)行優(yōu)選。

關(guān)鍵詞：納米材料；降濾失劑；潤(rùn)滑劑；抑制劑；鉆井液

為了進(jìn)一步提升鉆井液的油氣層保護(hù)效果，研究人員將納米材料引入該領(lǐng)域中，開展了納米材料鉆井液油層保護(hù)技術(shù)的研究。將納米處理劑加入到鉆井液中，能夠?qū)ξ⒘芽p和小孔隙進(jìn)行有效的封堵，并對(duì)低孔和低滲儲(chǔ)層進(jìn)行保護(hù)，最大程度的降低鉆井液中液相進(jìn)入儲(chǔ)層產(chǎn)生的水鎖損害，大幅度的提升采收率。因此對(duì)納米材料鉆井液的研究具有十分重要的實(shí)踐意義。

1納米材料概述

1.1納米材料的概念

納米材料指的是晶?；蚴穷w粒尺寸處于1~100nm范圍內(nèi)的超細(xì)材料，由于其顆粒尺寸較小，比表面積大，表面原子數(shù)、表面能、表面張力隨著粒徑的下降出現(xiàn)了大幅度的提升，因此表現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等特點(diǎn)。

1.2納米效應(yīng)

首先，量子尺寸效應(yīng)。其指的是當(dāng)納米微粒的尺寸降低到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)會(huì)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)，同時(shí)隨著尺寸的減小，能級(jí)間距則會(huì)不斷增大，出現(xiàn)分裂現(xiàn)象，當(dāng)其能級(jí)間距大于光、電等平均能級(jí)間距時(shí)，納米粒子的磁學(xué)性能、電學(xué)性能等都會(huì)發(fā)生一系列變化。其次，表面效應(yīng)。指的是納米材料的表面原子數(shù)和總原子數(shù)之比隨著晶粒或是顆粒尺寸的降低出現(xiàn)急劇增加，從而引起性質(zhì)上的變化。如無(wú)機(jī)非金屬納米顆粒在空氣中就會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附性。其三，宏觀量子隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)指的是微觀粒子貫穿勢(shì)壘的能力，近些年來(lái)，一些研究人員發(fā)現(xiàn)一些零維顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件的磁通量等宏觀量也具備隧道效應(yīng)。

2納米封堵降濾失劑的研制探究

2.1設(shè)計(jì)納米封堵降濾失劑的結(jié)構(gòu)

本文選用的是剛性的無(wú)機(jī)納米粒子為核，接枝柔性的聚合物。柔性聚合物中含有的特殊官能基團(tuán)不僅可以賦予無(wú)機(jī)納米粒子柔性可變形性，使其根據(jù)孔隙的實(shí)際大小進(jìn)行自主變形，同時(shí)還能起到分散無(wú)機(jī)納米粒子的作用。

2.2無(wú)機(jī)納米粒子的優(yōu)選

在進(jìn)行無(wú)機(jī)納米粒子優(yōu)選的過(guò)程中，使用電位分析儀器對(duì)多種納米材料的粒度分布進(jìn)行測(cè)定，其中粒徑能夠達(dá)到10nm以下的只有改性納米二氧化硅接枝的柔性聚合物，因此本文即采用這種物質(zhì)。一般情況下，納米二氧化硅和改性納米二氧化硅的粒徑都處于50nm以下，但是二者在水溶液中的粒徑則達(dá)到了100nm以上，因此改性納米二氧化硅接枝的柔性聚合物的粒徑能夠達(dá)到10nm以下，說(shuō)明其在水溶液中出現(xiàn)了穩(wěn)定的分散。

2.3柔性聚合物的優(yōu)選

為了獲得性能最佳的柔性聚合物，將經(jīng)過(guò)特殊改性的納米二氧化硅接枝常用的乙烯基單體，獲得了多種不同的聚合物，之后分別加入到固定比例的膨潤(rùn)土漿中，測(cè)定獲得相應(yīng)的濾失量。之后再將改性的納米二氧化硅分別接枝聚丙烯酸、聚乙烯醇等聚合物獲得，重復(fù)上述試驗(yàn)，獲得相應(yīng)的濾失量。最后將各種柔性聚合物的濾失量進(jìn)行對(duì)比分析可知，將改性的納米二氧化硅接枝常用的酰胺基單體獲得的聚合物的降濾失效果最佳。

2.4納米封堵降濾失劑的作用機(jī)理分析

通過(guò)上述研究，選用改性納米二氧化硅為核，接枝自制的酰胺基單體獲得了一種低分子量聚合物，即是納米封堵降濾失劑。在不改性的情況下，很難在二氧化硅表面接枝聚合物，因此在此之前必須對(duì)納米二氧化硅進(jìn)行改性處理。

2.5對(duì)納米封堵降濾失劑的常規(guī)性能評(píng)價(jià)

為了對(duì)上述納米封堵降濾失劑的常規(guī)性能進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，對(duì)其進(jìn)行了流變及濾失測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在一定比例的膨潤(rùn)土基漿中，納米封堵降濾失劑的加量超過(guò)1%，其濾失量的降低率可達(dá)到40%以上，且抗溫性也較為顯著。之后對(duì)納米封堵降濾失劑水溶液濾餅和膨潤(rùn)土漿濾餅的形貌進(jìn)行了宏觀和微觀的分析實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用納米封堵降濾失劑的水溶液形成的濾餅，其薄度更小且致密性更強(qiáng)。此外，將納米封堵降濾失劑的使用效果和其它同類產(chǎn)品進(jìn)行比較之后可知，在加量相同的情況下，前者表現(xiàn)出的降濾失性能更加優(yōu)秀。

2.6納米封堵降濾失劑封堵性能的評(píng)價(jià)分析

為了測(cè)定評(píng)價(jià)納米封堵降濾失劑的封堵能力，使用孔結(jié)構(gòu)的測(cè)試法，將納米封堵降濾失劑加入到泥頁(yè)巖中，通過(guò)表面分析儀測(cè)定發(fā)現(xiàn)，在加入降濾失劑后泥頁(yè)巖的納米級(jí)以下的孔徑大的大幅度減少，降幅可以達(dá)到60%以上。之后，通過(guò)巖心動(dòng)態(tài)模擬裝置對(duì)納米封堵降濾失劑的封堵性能進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)。具體方法為在不同滲透率的填砂管模型中注入納米封堵降濾失劑，將砂管模型的兩端進(jìn)行密封，在120℃的溫度下養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間，測(cè)定封堵后的水相滲透率。從結(jié)果來(lái)看，納米封堵降濾失劑的封堵率可以達(dá)到90%。最后，采用巖心壓力傳遞試驗(yàn)對(duì)封堵后的巖心壓力傳遞速度進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)結(jié)果分析可知，納米封堵降濾失劑具備優(yōu)異的封堵性能。

3納米潤(rùn)滑劑和納米抑制劑的優(yōu)選

3.1納米級(jí)潤(rùn)滑劑的優(yōu)選

本文選用多種不同的納米級(jí)潤(rùn)滑劑進(jìn)行了對(duì)比，選定的納米材料都可以提高鉆井液的潤(rùn)滑性能，因此通過(guò)測(cè)定其摩擦阻力，同時(shí)考慮到降濾失效果，選出了最佳的一種，納米級(jí)固體潤(rùn)滑劑RH102。

3.2納米抑制劑的優(yōu)選配置

4%膨潤(rùn)土+0.2%的氫氧化鈉，將抑制劑濃度固定為2%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，納米小分子氨基聚合物的抑制性能最好，其次是聚醚胺。之后對(duì)二者的性能進(jìn)行了進(jìn)一步的對(duì)比，將抑制劑的濃度提高到4%，并進(jìn)行了滾動(dòng)回收試驗(yàn)對(duì)比，通過(guò)測(cè)試滾動(dòng)回收率并對(duì)比，可以知道小分子氨基聚合物的回收率較高，這說(shuō)明氨基抑制劑的性能更加優(yōu)秀。

4納米材料鉆井液在油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況

4.1地質(zhì)工程情況簡(jiǎn)介

為驗(yàn)證應(yīng)用了上述納米封堵降濾失劑、潤(rùn)滑劑和抑制劑的納米鉆井液的實(shí)際應(yīng)用效果，本次選用了河北省某地一個(gè)油井作為試驗(yàn)井，深度為2988m，斜深度超過(guò)3600m，該井儲(chǔ)層保護(hù)施工方案為距離地進(jìn)行儲(chǔ)層兩個(gè)目標(biāo)靶點(diǎn)中第一個(gè)靶點(diǎn)前50~100m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)小型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別加入不同濃度的各種納米封堵降濾失劑，并在距離第二個(gè)靶點(diǎn)50~100m處補(bǔ)充油層保護(hù)劑。4.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析在井深2456m處加入納米封堵降濾失劑，在井深3172m處開始加入三種納米材料鉆井液處理劑，獲得了相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比分析可知，在第一次加入之后，濾失量出現(xiàn)了一定幅度的降低。砂床漏失試驗(yàn)的漏失量為零，說(shuō)明加入納米封堵降濾失劑以后取得了良好的封堵效果。此外，試驗(yàn)井試油產(chǎn)量均出現(xiàn)了一定程度的提高，說(shuō)明納米材料鉆井液起到了良好保護(hù)油層的效果。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文針對(duì)納米材料鉆井液體系團(tuán)聚的問(wèn)題，深入分析了納米材料的團(tuán)聚機(jī)理，在此基礎(chǔ)上對(duì)納米材料處理劑進(jìn)行了接枝，促進(jìn)了納米材料處理劑在鉆井液中的良好分散，使得納米材料的封堵性能得到了充分的發(fā)揮。其次，以自主合成的納米封堵降濾失劑為核心處理劑，促進(jìn)了納米材料鉆井液豐富裂縫和小孔隙能力的提升。再次，將納米材料鉆井液應(yīng)用到油井中，使得試油產(chǎn)量出現(xiàn)了一定幅度的提升，由此可見，鉆井液發(fā)揮出了良好的保護(hù)油層效果。因此，可以將本文研究出的納米材料鉆井液應(yīng)用到低孔低滲儲(chǔ)層的油氣層的保護(hù)中。

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作者：馬鵬 單位：德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司